有限元分析软件在湿法脱硫技改项目上的应用

王锐

（湖南宏福环保股份有限公司，长沙 410205）

引言

有限元分析法是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，其将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段，在工程领域得到了越来越广泛的应用。

目前应用较多的有限元分析软件包括ANSYS、MARC、STAAD等，其中ANSYS在工程结构力学上运用最为广泛。ANSYS有限元分析软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，具有多物理场耦合功能，允许在同一模型上进行多种的耦合计算。

针对火电厂湿法烟气脱硫技改工程的项目特点，ANSYS有限元分析软件对吸收塔临时烟囱的模拟分析主要运用地震载荷、风载荷、雪载荷和吸收塔实际运行载荷进行载荷工况组合计算，在保留原吸收塔主体结构的前提下，通过加强和修改吸收塔部分结构，以保证吸收塔及其临时烟囱的安全结构性能，同时尽量减少结构修改对吸收塔性能的负面影响。

华能长春热电厂新建工程（2×350MW）烟气脱硫系统工程，由于取消设置烟气加热设备（简称GGH）后，电厂的主烟囱和烟道需进行防腐改造施工，因此需在吸收塔上增设临时烟囱来保证防腐改造施工期间电厂机组的正常运行；即电厂锅炉烟气经烟气脱硫系统（简称FGD）进行脱硫处理后，净烟气经吸收塔顶部设置的临时烟囱排入大气，从而满足环保要求。在保留原吸收塔主体结构不变的情况下，其顶部需进行改造和重新防腐处理，支撑临时烟囱的斜向拉杆生根于出口烟道和吸收塔，净烟气壁上，吸收塔出口烟道和塔壁局部需增设加强筋，以满足结构强度要求。

通过ANSYS有限元分析软件将临时烟囱和吸收塔结合成整体以建立数学模型，对其重力荷载、风载荷、雪载荷和地震载荷等多种载荷进行工况组合，从位移、应力、剪切等多方面对其进行模拟分析，对临时烟囱及吸收塔的本体和支撑钢结构按照相关钢结构技术标准规范要求进行强度校核，从而保证临时烟囱及吸收塔的结构稳定性，同时达到优化设计的目的。

1 临时烟囱设计及吸收塔改造原则

设计考虑到该吸收塔为核心反应设备且属大型构件建筑物，临时烟囱的设置和拆除应不影响脱硫吸收塔的塔体结构安全，同时基于经济成本和施工难度及工期考虑，当吸收塔的整体强度或稳定性不足时，应采用局部增设加强筋的方法；临时烟囱的设置应满足场地实际情况和工艺系统布置及功能需要；临时烟囱作为临时过渡措施，要考虑对厂区周围环境的影响；并需考虑临时烟囱的使用寿命到期后的拆除方便及出口的封堵措施，尽可能减少对主机运行的影响。

2 临时烟囱设计及吸收塔改造方案

2.1 脱硫吸收塔及临时烟囱相关数据（见表1）

表1 FGD工艺设计参数

华能长春电厂位于长春市郊，属波状平原地带，按照《建筑抗震设计规范》[1]，建筑场地类别为Ⅱ类；厂址场地地震动反应谱特征周期为0.35s；地震动峰值加速度为0.05g，对应地震基本烈度按6度考虑。

2.2 临时烟囱设计方案

2.2.1 方案一

采用钢筋斜拉索固定临时烟囱，即将临时烟囱分三段采用法兰形式进行安装，每段分别用4根钢筋斜拉索进行固定，钢筋斜拉索根据实际脱硫场地布置生根于地面或吸收塔周边建筑物上。

优点：可减少临时烟囱对吸收塔结构的水平载荷影响；便于临时烟囱和钢筋斜拉索的拆卸，如要拆除临时烟囱时，该部分拉索钢结构可回收利用。

缺点：需对脱硫场地的布置进行多方面综合考虑，将影响吸收塔及其周边建筑物的土建结构。

2.2.2 方案二

在吸收塔顶部设置12根斜向拉杆以支撑临时烟囱，其生根于吸收塔出口烟道和塔壁周边处，使临时烟囱所产生的动、静荷载由加固的周边塔壁承受；临时烟囱分三段采用法兰型式进行安装。

优点：只对吸收塔本体结构及其地基产生影响；减少了对脱硫场地布置的影响；便于临时烟囱的安装及拆卸。

缺点：由于吸收塔的载荷增加，吸收塔出口烟道及除雾器以上需局部增设加强筋，除雾器以上部分需重新做防腐处理；影响原吸收塔的土建结构，原吸收塔地基需进行加固处理；不便于斜向拉杆的拆卸，如要拆除临时烟囱时，该部分钢结构只可部分回收利用。

2.2.3 方案三

在距离吸收塔四周2.5～3m位置设置一个钢支架框架，该钢支架框架生根于吸收塔附近的地面上，将临时烟囱分三段分别用钢支架框架直接支撑。

优点：可减少临时烟囱对吸收塔结构的影响，不需考虑临时烟囱的垂直荷载和水平荷载均由钢支架框架承受；只对脱硫场地的布置产生局部影响，便于安装和拆卸。

缺点：需要重新考虑吸收塔的土建支撑结构型式，对局部脱硫场地布置的多方面综合考虑要求较高，将直接影响吸收塔及其周边部分建筑物的土建结构。

综合考虑现场实际情况及施工难度和工期问题，采用方案二较为合适，改造后的吸收塔外形见图示。

临时烟囱的脱硫吸收塔外形图

2.3 临时烟囱设计中需考虑的载荷及工况

2.3.1 结合ANSYS有限元分析软件，吸收塔设计中需要考虑以下8种独立的载荷

（1）温差载荷：由于吸收塔本体一般设置了保温层，塔内温差变化不大，因此在设计中可不予考虑。

（2）塔内石灰石浆液的静压：即吸收塔实际运行过程中，塔内下部浆液池中石灰石浆液产生的静压载荷。

（3）塔内石灰石浆液表面上部的烟气压力：1）塔内石灰石浆液表面上部烟气正压：在实际运行过程中，塔内石灰石浆液表面上部的烟气压力为≤+4000Pa，计算载荷时按+4000Pa考虑；由于临时烟囱顶端与大气相连，即其压力与大气压相同，所以临时烟囱段不施加内压。2）塔内石灰石浆液表面上部烟气负压：当吸收塔处于事故工况时，塔内石灰石浆液表面上部烟气压力为0～-2000Pa，计算载荷时按-2000Pa考虑；由于临时烟囱顶端与大气相连，即其压力与大气压相同，所以临时烟囱段不施加内压。

（4）吸收塔钢结构及其内构件的重力载荷：即吸收塔停运时的空塔重量。

（5）雪载荷：根据当地基本雪压值计算出来的雪载荷[2]；其作用于吸收塔出入口烟道上表面及吸收塔锥顶，由于临时烟囱顶端与大气相连，所以临时烟囱段不予计算。

（6）风载荷：根据当地基本风压值计算出来的风载荷[2]；由于吸收塔在烟气出、入口侧面方向迎风面积较大，因此该方向施加的风载荷将使模型受到的风弯矩最大，而风弯矩在塔壳中引起的应力也最大，比较危险，所以烟气出、入口的侧面方向为迎风面计算即可。

（7）地震载荷：综合参考《钢制焊接常压容器》和《钢制塔式容器》的规定，需考虑水平地震力、垂直地震力和地震液晃载荷，水平地震力的作用方向与迎风面一致；由于吸收塔的高径比较小，因此高阶振型对吸收塔的影响可不予考虑。

2.3.2 吸收塔内壁主应力

在圆筒形塔壁中，理论上存在3个主应力，分别是周向应力、轴向应力和径向应力；对于脱硫吸收塔这种低压塔而言，其径向应力很小，完全可以忽略不计；因此塔壁中的应力状态可简化为只受周向应力和轴向应力的两向应力状态，该两向应力包括以下几项：1）由内压或外压产生的塔壁轴向拉/压应力；2）由结构自重、雪载荷、风载荷等产生的塔壁受应力；3）由最大弯矩（包括水平风力和地震力、偏心力）产生的塔壁轴向拉/压应力；4）由垂直地震力产生的塔壁轴向拉/压应力；5）由内压或外压产生的塔壁周向拉/压应力。

2.3.3 综合考虑吸收塔的实际运行情况，有限元分析共需校核以下3种组合工况的强度和稳定性

（1）操作工况A：载荷（1）+（2）+（3-a）+（4）+（5）+（6）

（2）操作工况B：载荷（1）+（2）+（3-b）+（4）+（5）+0.25×（6）+（7）

（3）事故工况：载荷（1）+（2）+（3-b）+（4）+（5）+（6）

组合工况（1）和组合工况（2）中包括内压，组合工况（3）中包括外压，相对更容易发生失稳，可见如果组合工况（3）的稳定性复合要求，则组合工况（1）（2）的稳定性也将符合要求，因此只需对组合工况（3）进行校核即可。

2.4 临时烟囱的安全校核判据

一般而言，设备的安全判据有三类：强度判据、稳定性判据和刚度判据。

2.4.1 强度判据

根据《钢制焊接常压容器》规定，吸收塔运行时的强度判据为：σ≤[σ]t

式中，σ为结构中的等效应力，[σ]t为材料在设计温度下的许用应力。

2.4.2 稳定性判据

设备的稳定性安全判据是设备各处的最大薄膜轴向压缩应力σt≤[σ]tc。

2.4.3 刚度判据

按一般低压塔式容器进行强度校核即可。

吸收塔结构材料机械性能数据见表2。

表2 吸收塔结构材料机械性能数据

3 结论

（1）根据以往的工程经验，吸收塔顶部锥段结构较为单薄，且附带有开孔面积较大的烟气出口，属大应力区，增设临时烟囱后容易发生失稳；而吸收塔顶部锥段的底部是临时烟囱斜向拉杆的生根处，容易出现局部应力过大的现象，因此需对这些部位采用加强筋进行局部增强。

（2）加固后的吸收塔顶部锥段应力和位移计算分析结果，其最大应力值为22.6MPa，最大位移值6mm，均满足钢结构的强度和稳定性要求。

（3）由于增设临时烟囱的脱硫吸收塔结构较为复杂，已超过了常规设计计算范围；采用ANSYS有限元分析软件可将多种载荷工况设置成多个载荷步，然后按实际运行情况进行最危险工况的组合，从而计算分析得出整个吸收塔结构的薄弱区域；通过应力强度评定，判断吸收塔设备的强度是否满足设计要求，并进行结构优化处理。